JP5867758B2 - Optical pulse generator - Google Patents
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Description
本発明は、チャープパルスを発生し集束することができる光パルス発生器、及びこのようなチャープパルスを発生し集束するための対応する方法に関する。 The present invention relates to an optical pulse generator capable of generating and focusing chirp pulses and a corresponding method for generating and focusing such chirp pulses.
チャープパルスを発生し集束することは、レーザの一般に知られている応用例である。通常はチャープパルスは伸張器、増幅器、及び元のチャープパルスと比べて持続時間が短いパルスが得られるように、時間領域においてチャープパルスを圧縮することを可能にする4つの回折格子を通過する。圧縮されたパルスは回折格子を出た後では、その異なる色成分の空間的及び時間的整列を有する。最初にパルスを伸張し、次いで増幅し、次いでその後に圧縮するプロセスの後、パルスの直径が過度に大きくなることがあり、したがって、パルスの色成分のそれぞれは時間的及び空間的に整列されるが、ターゲット上での高エネルギー密度を達成するために更なる集束が必要になる。フェムト秒のパルスを伸張し、増幅し、且つ圧縮する技術は、「チャープパルス増幅」(chirped pulse amplification:CPA)として知られる。 Generating and focusing a chirp pulse is a commonly known application of lasers. Usually the chirp pulse passes through a stretcher, an amplifier and four diffraction gratings that allow the chirp pulse to be compressed in the time domain so that a pulse with a shorter duration is obtained compared to the original chirp pulse. After the compressed pulse exits the diffraction grating, it has a spatial and temporal alignment of its different color components. After the process of first stretching, then amplifying, and then compressing, the diameter of the pulse can become excessively large, so that each of the color components of the pulse is temporally and spatially aligned However, further focusing is required to achieve a high energy density on the target. The technique of stretching, amplifying, and compressing femtosecond pulses is known as “chirped pulse amplification” (CPA).
本発明は、チャープパルスを発生しそれを特定のターゲット上に集束することができる、光パルス発生器を提供することに関し、その装置は、故障が起きにくく、結果としての成分の十分な時間的及び空間的整列を可能にする簡略化された設計を有するべきである。 The present invention relates to providing an optical pulse generator that can generate a chirped pulse and focus it on a specific target, the device being less prone to failure and sufficient time for the resulting component. And should have a simplified design that allows for spatial alignment.
この問題は、請求項1に記載の光パルス発生器、及び請求項9に記載のチャープパルスを発生する方法によって解決される。従属請求項は本発明の好ましい実施形態を含む。 This problem is solved by the optical pulse generator according to claim 1 and the method for generating chirp pulses according to claim 9. The dependent claims contain preferred embodiments of the invention.
光パルス発生器は、チャープパルスを供給するための供給源と、チャープパルスのための圧縮器とを備え、この圧縮器は、チャープパルスの伝搬方向を波長に依存して処理することができる第1の処理デバイス及び第2の処理デバイスと、所定の集光点を有する集束デバイスとを備え、この光パルス発生器は、第2の処理デバイスがチャープパルスの伝搬方向において、第1の処理デバイスの後に配置され、第1及び第2の処理デバイスが、チャープパルスが第2の処理デバイスを通過した後にパルスに変換されるようにチャープパルスの伝搬方向を処理することができ、パルスの異なる色成分が、空間的に広がり時間的に十分に整列されることを特徴とする。この関連において、時間的に十分に整列されるということは、場合によって必要となる空間的に広がった色成分の再集束は、異なる色成分、好ましくはすべての色成分が同時に集光点に到達する、ミラー又は良好な近似レンズなどの無彩色のデバイスを用いて達成できることを意味する。チャープパルスから空間的に広がり時間的に十分に整列された異なる色成分を含むパルスを発生することができる第1及び第2の処理デバイスを設けることによって、チャープパルスの伝搬方向に対して波長に依存した影響を及ぼす他のデバイスを回避することができる。 The optical pulse generator includes a source for supplying a chirp pulse and a compressor for the chirp pulse, and the compressor can process the propagation direction of the chirp pulse depending on the wavelength. 1 and 2 and a focusing device having a predetermined focal point, the optical pulse generator comprising: a first processing device in which the second processing device is in the direction of chirp pulse propagation; And the first and second processing devices can process the direction of propagation of the chirped pulse so that the chirped pulse is converted to a pulse after passing through the second processing device, and the different colors of the pulse The components are characterized by being spatially spread and well aligned in time. In this context, being well aligned in time means that the refocusing of the spatially spread color components that may be necessary is that different color components, preferably all color components, reach the collection point at the same time. Means that it can be achieved using achromatic devices such as mirrors or good approximation lenses. By providing first and second processing devices that are capable of generating pulses containing different color components that are spatially spread out from the chirp pulse and are well aligned in time, the wavelength is varied with respect to the direction of propagation of the chirp pulse. Other devices that depend on it can be avoided.
空間的に広がり時間的に十分に整列した異なる色成分が、互いに平行に伝搬する場合は、異なる色成分は時間領域において伝搬方向と垂直な平面上を伝搬する。 When different color components that are spatially spread and sufficiently aligned in time propagate in parallel to each other, the different color components propagate on a plane perpendicular to the propagation direction in the time domain.
空間的に広がり時間的に十分に整列した異なる色成分が空間領域を収束又は発散するように伝搬する場合は、それらはその中心が収束点となる、又は発散する伝搬方向の原点となる球面上を伝搬する。 When different color components that are spatially spread and sufficiently aligned in time propagate to converge or diverge in the spatial domain, they are on the spherical surface whose center is the convergence point or the origin of the divergence propagation direction. To propagate.
従って時間的に十分に整列した空間的に広がる成分を集束することは、色収差のない光学的集束構成部品(例えばレンズ、又は凹面鏡)によって可能であり、異なる色成分は集光点に同時に到達する。それらは強め合うように干渉し、非常に短時間(例えば50fs未満)において高パワーを生じることが好ましい。 Thus, it is possible to focus spatially spreading components that are well aligned in time by optical focusing components without chromatic aberration (eg lenses, or concave mirrors), where different color components reach the focal point at the same time. . They preferably interfere constructively and produce high power in a very short time (eg, less than 50 fs).
一実施形態では光パルス発生器は、2つの(同一の)回折格子(第1及び第2の処理デバイスとして)と、曲面鏡(及び/又はレンズ)とを備え、ミラー及び/又はレンズは、チャープパルスの伝搬方向において回折格子の後に配置される。同一である回折格子を設けることにより(これは例えば回折格子の刻線間隔が同一であることを意味する)、光パルス発生器は必要な光学システムの数に関して最小の労力で作製することができる。 In one embodiment, the optical pulse generator comprises two (identical) diffraction gratings (as first and second processing devices) and a curved mirror (and / or lens), where the mirror and / or lens is: It is arranged after the diffraction grating in the propagation direction of the chirp pulse. By providing identical diffraction gratings (which means, for example, that the grating spacing of the diffraction gratings is the same), the optical pulse generator can be made with minimal effort with respect to the number of optical systems required. .
他の実施形態では光パルス発生器は、2つの異なる回折格子(第1及び第2の処理デバイスとして)と、集束レンズ(及び/又は集束ミラー)とを備え、レンズはチャープパルスの伝搬方向において回折格子の前に配置されることを特徴とする。このように構成することにより、第2の処理デバイス例えば第2の回折格子からの伝搬パルスは、わずかな集束を必要とするだけである。別法としてこれは、平行でない2つの回折格子を用いることによって達成することができる。 In other embodiments, the optical pulse generator comprises two different diffraction gratings (as first and second processing devices) and a focusing lens (and / or focusing mirror), where the lens is in the direction of chirp pulse propagation. It is arranged in front of the diffraction grating. With this arrangement, propagating pulses from the second processing device, such as the second diffraction grating, require only a slight focusing. Alternatively, this can be achieved by using two diffraction gratings that are not parallel.
他の実施形態では光パルス発生器は、第1及び第2の処理デバイスがプリズムであることを特徴とする。プリズムを設けることによって、さらに異なる色成分の実行時の差を得ることができ、それによって時間的整列が達成される。 In another embodiment, the optical pulse generator is characterized in that the first and second processing devices are prisms. By providing a prism, it is possible to obtain a runtime difference of further different color components, thereby achieving temporal alignment.
他の実施形態では光パルス発生器は、第1又は第2の処理デバイスである回折格子及びプリズムを備える。この構成は回折格子とプリズムの利点を組み合わせることができる。 In another embodiment, the optical pulse generator comprises a diffraction grating and a prism that are first or second processing devices. This configuration can combine the advantages of a diffraction grating and a prism.
他の実施形態では、集束デバイスは少なくともミラー又はレンズを備える。このような色収差のない集束デバイスを設けることで、意図しない実行時の異なる色成分の差を回避し、達成された時間的整列を維持する。 In other embodiments, the focusing device comprises at least a mirror or lens. By providing such a chromatic aberration-free focusing device, unintentional differences in different color components at run time are avoided and the achieved temporal alignment is maintained.
他の実施形態では光パルス発生器は、チャープパルスの異なる色成分を所定のライン上に集束する(例えば円柱レンズ又はミラーを用いて)ことができ、ラインは本質的に、異なる色成分の平均の伝搬方向と垂直である。従って空間的及び時間的に整列した成分をライン上に発生することができ、多種多様な用途が可能になる。 In other embodiments, the light pulse generator can focus the different color components of the chirp pulse onto a given line (eg, using a cylindrical lens or mirror), where the line is essentially an average of the different color components. Is perpendicular to the propagation direction. Thus, spatially and temporally aligned components can be generated on the line, enabling a wide variety of applications.
他の実施形態では光パルス発生器は、供給源がレーザ発振器と、パルス伸張器と、チャープパルスを供給する増幅段とを備えることを特徴とする。このような知られたデバイスを用いることによって光パルス発生器の構築をすでに知られたデバイスに頼ることが可能になる。 In another embodiment, the optical pulse generator is characterized in that the source comprises a laser oscillator, a pulse stretcher, and an amplification stage for supplying chirp pulses. By using such a known device, it is possible to rely on the already known device for the construction of the optical pulse generator.
このような光パルス発生器を用いることによって、パルスを発生する方法を実現することができ、この方法は、チャープパルスが、第2の処理デバイスを通過する前に第1の処理デバイスを通過し、チャープパルスの伝搬方向は、チャープパルスが第2の処理デバイスを通過した後にパルスに変換されるように、第1及び第2の処理デバイスによって処理され、パルスの異なる色成分は、空間的に広がり時間的に十分に整列されることを特徴とする。それにより、発生されたパルスは高エネルギー密度、並びに先行するピーク及び/又は意図しない分散を有しない完全なパルスのピーク構造をもたらすので、多くの方法において用いることができる。 By using such an optical pulse generator, a method of generating a pulse can be realized, in which the chirped pulse passes through the first processing device before passing through the second processing device. , The direction of propagation of the chirp pulse is processed by the first and second processing devices such that the chirp pulse is converted to a pulse after passing through the second processing device, and the different color components of the pulse are spatially It is characterized by being sufficiently aligned in terms of spreading time. Thereby, the generated pulses can be used in many ways because they result in a high energy density and a complete pulse peak structure without leading peaks and / or unintentional dispersion.
一実施形態では、圧縮され集束されたパルスは焦点において、1ns未満、好ましくは1ps未満、より好ましくは50fs未満の持続時間を有する。このような短いパルスは、上記の方法によって発生され集束されたときに短い時間フレームにおける高エネルギー付与を可能にし、従って物質構造を処理する能力をもたらす。 In one embodiment, the compressed and focused pulse has a duration at the focal point of less than 1 ns, preferably less than 1 ps, more preferably less than 50 fs. Such short pulses allow high energy application in a short time frame when generated and focused by the above method, thus providing the ability to process material structures.
他の実施形態では方法は、チャープパルスが伝搬方向において2つの同一の処理デバイス(例えば回折格子)と、(集束)ミラーとを通過することを特徴とする。2つの同一の回折格子を用いることで、チャープパルスに対して他の周波数を用いることが意図されるときには回折格子を他の2つの同一の回折格子に置き換えることにより簡単な方法で装置及び方法を新しい波長に対して適合させることができるので、柔軟に方法を適用することが可能になる。 In another embodiment, the method is characterized in that the chirped pulse passes in the propagation direction through two identical processing devices (eg diffraction gratings) and a (focusing) mirror. By using two identical diffraction gratings, the apparatus and method can be simplified in a simple manner by replacing the diffraction grating with two other identical diffraction gratings when other frequencies are intended for the chirped pulse. Since it can be adapted to the new wavelength, the method can be applied flexibly.
他の実施形態では方法は、チャープパルスが伝搬方向においてレンズ又は集束ミラーと、2つの異なる処理デバイス(例えば回折格子)を通過することを特徴とする。例えば回折格子の形での第1及び第2の処理デバイスを通過する前にレンズを通過することによって、チャープパルスの少なくともプリフォーカスが生じ、これにより従ってさらなる集束デバイスが無意味となり得る。 In another embodiment, the method is characterized in that the chirped pulse passes in the direction of propagation through a lens or focusing mirror and two different processing devices (eg diffraction gratings). By passing through the lens before passing through the first and second processing devices, for example in the form of a diffraction grating, at least prefocusing of the chirped pulse can occur, thereby making the further focusing device meaningless.
この方法の他の実施形態では、チャープパルスは伝搬方向において2つのプリズムを通過する。それによって、異なる実行時の異なる色成分がプリズムを通って伝搬する必要があることに少なくとも部分的により、時間的整列が達成される。 In another embodiment of this method, the chirped pulse passes through two prisms in the propagation direction. Thereby, temporal alignment is achieved, at least in part, because different color components at different runtimes need to propagate through the prism.
他の実施形態では方法は、チャープパルスがプリズム及び回折格子を通過することを特徴とする。従って回折格子及びプリズムの光学特性を用いて時間的整列を達成することができる。 In another embodiment, the method is characterized in that the chirped pulse passes through a prism and a diffraction grating. Thus, temporal alignment can be achieved using the optical properties of the diffraction grating and prism.
他の実施形態では方法は、異なる色成分は所定のライン上に集束され、所定のラインは本質的に、異なる色成分の平均の伝搬方向と垂直であることを特徴とする。パルスを所定のライン上にもたらすことにより、空間的に拡張されたエネルギー付与が可能になり、従って多種多様な用途が可能になる。 In another embodiment, the method is characterized in that the different color components are focused on a predetermined line, and the predetermined line is essentially perpendicular to the average propagation direction of the different color components. By bringing the pulses onto a given line, spatially extended energy application is possible, thus enabling a wide variety of applications.
代替実施形態では第2の回折格子は、平面鏡によってもたらされる第1の回折格子の虚像が、第2の回折格子の位置に一致するように、好ましくは正確に一致するように、平面鏡によって置き換えられる。これはまたプリズム及びミラーを用いて同様に達成することができる。 In an alternative embodiment, the second diffraction grating is replaced by a plane mirror so that the virtual image of the first diffraction grating provided by the plane mirror coincides, preferably exactly, with the position of the second diffraction grating. . This can also be achieved using prisms and mirrors as well.
図1は、パルスを発生する発振器105を備える、本発明によるチャープパルス発生器100を示す。発振器は、例えばフェムト秒のパルスを出力するTi:Saレーザとすることができる。パルスは好ましくは107〜109Hz、より好ましくは約108〜5×108Hzの高い繰り返し率で出力され、パルスエネルギーは好ましくは10−8〜10−10Jの範囲、より好ましくは10−9〜5×10−9Jである。パルスの持続時間は、20fsから1psの間で変わり得る。このパルスは伸張器104に導かれ、伸張器104はエネルギー密度を低減するためにパルスを時間的に伸張する(103〜105倍)。次いで伸張されたパルスは増幅器102に導かれ、増幅器102は、増幅器102をポンピングする106ポンピングシステム103と共同して、伸張されたパルスを増幅する。増幅率は104〜106倍の範囲とすることができる。次いで増幅された伸張されたパルスは、伸張されたパルスを圧縮する圧縮器110に導かれる。必要なエネルギー密度及びパワーを得るために、例えば薄箔上のレーザ誘起陽子放出の場合は、出力パルスのピークパワーは1〜100TWの範囲でなければならない。要求されるパワーの正確な大きさに応じて、必要な増幅率、繰り返し率、及びパルスエネルギーは、装置の構成部品の破壊閾値を考慮に入れて計算することができる。
FIG. 1 shows a
本発明による圧縮器は、結果として生じるパルス107において周波数成分(色成分)の十分な時間的整列を達成することになる。一方、圧縮器110は以下で述べるように、所定の点108における高エネルギー付与を達成するために、所定の点108においてすべての周波数成分の空間的整列をもたらす。本発明によれば圧縮器110(チャープ圧縮器110とも称される)は、チャープパルスの伝搬方向を波長に依存して処理することができる第1及び第2の処理デバイスを備える。処理されたチャープパルスは、第1及び第2の処理デバイスを通過するときにパルスに変換される。パルスは、第1及び第2の処理デバイスを通過した後には異なる色成分を含むことになり、これらの成分は空間的に広がる。従って空間的に広がる成分が所定の集光点において空間的に整列されるように、それらを集束する集束デバイスが用いられる。本発明は前記圧縮器110を設けており、発振器105、伸張器104、増幅器102、並びにポンピングシステム103は、CPAから一般に知られているデバイスから得られる、又はそれらと同一でもよいことに注目すべきである。
The compressor according to the invention will achieve a sufficient temporal alignment of the frequency components (color components) in the resulting
集光点108には、増幅され圧縮され、集束されたパルスが突き当たるターゲットを設けることができる。チャープ圧縮器110と焦点領域の間の光学場は、集束された光学場(収束する光学場)であるが、異なる色成分(すなわち異なる波長を有する光)が空間的に広がることを特徴とする。例えば図1では、光パルスの高い周波数成分は光学場の右側のみに存在し、パルスの低い周波数成分は左側のみに存在し得る。焦点領域108においては、パルスの異なる色成分は重なり合い、互いに強め合うように干渉し、例えば持続時間が50fs未満の高パワーパルスを発生することができる。
The
図2Aは、チャープパルス圧縮器210のより詳細な図を示す。図から分かるようにチャープパルス圧縮器210は、光回折格子として示される第1の処理デバイス211と、第2の処理デバイス212とを備える。以下で述べるように、第1及び第2の処理デバイスの他の実現形態(例えばプリズム)が可能である。
FIG. 2A shows a more detailed view of the chirped
図2Aを参照すると、いずれの場合においても第1及び第2の処理デバイス211及び212は、到来するチャープパルス220が、空間的に独立した又は広がった色成分221及び222(色成分は周波数成分とも呼ばれる)が集まったパルスに変換されるように、到来するチャープパルス220に回折により影響を及ぼすことに注目すべきである。2つの周波数成分221及び222における図示の分類は簡単化のためのみであることに注目すべきである。実際に、チャープパルス220に含まれる各周波数成分は、第1及び第2の処理デバイス211及び212を通って導かれ、次いでチャープパルス220のもう1つの周波数成分がとる経路とは空間的に独立した経路に沿って伝搬することになる。さらに第1及び第2の処理デバイス211及び212は、第1及び第2の処理デバイス211及び212の前又は後に他の集束デバイスが用いられない場合には、チャープパルス圧縮器210を出たときに、異なる色成分221及び222は互いに平行に伝搬するような、光学特性(例えば回折格子を用いる場合は格子定数(又は刻線密度)、又はいくつかの他の実現形態では屈折率)を有することに注目すべきである。異なる色成分は時間的に十分に整列され、伝搬の方向と垂直な平面上を進行する。
Referring to FIG. 2A, in any case, the first and
上記についてより詳しく説明するために図2Bを参照する。ここでは2つの周波数成分(色成分とも呼ばれる)について考察する。これらの成分は、図2Aに示されるチャープパルス220から生じる。従って周波数成分221は、周波数成分222とは別の周波数に対応する。図2Bから分かるようにこれらの成分は空間的に独立であり、それらの伝搬方向に沿って互いに空間的及び時間的距離を有する。位置B及び時間t0における周波数成分221から始めると、周波数成分221は矢印によって示される経路に沿って伝搬し、入射点Cにおいて第1の処理デバイス211に入射することになる。周波数成分221は時間t1においてこの点Cに入射する。第1の処理デバイス211によって達成される周波数成分221の伝搬方向の波長に依存した処理により、周波数成分221は破線に沿って伝搬し、時間t2で点Eにおいて第2の処理デバイスに入射することになる。やはり伝搬方向の波長に依存した処理により、周波数成分221は、時間t3において点Gを通過するように破線に沿って伝搬することになる。
To explain the above in more detail, reference is made to FIG. 2B. Here, two frequency components (also called color components) are considered. These components result from the
第1の成分221の周波数とは異なる周波数に対応するもう1つの周波数成分222は、上述のチャープパルスの時間的な伸張により、同じ時間t0で点Bではなく点Aにおいて出発する。周波数成分222は時間t1+Δにおいて点Cに到達し、但しΔは第2の周波数成分222が点Aと点Bの間の距離を通過できるのに必要な時間である。周波数が異なることにより成分222は、第1の処理デバイス211を通過した後に、時間t4で点Dにおいて第2の処理デバイス212に到着する。第1の成分221とは異なる伝搬方向の処理を受けることによって、第2の成分222は第2の処理デバイス212を通過した後に、時間t5で点Fに到達する。従ってチャープパルス圧縮器210を出た周波数成分221’及び222’の十分な時間的整列を達成するためには、点Cにおける第1の周波数成分221と第2の周波数成分222の、異なる出発点A及びBによる異なる入射時間から生じる時間差を補償しなければならない。従って第1の処理デバイス211及び第2の処理デバイス212は、第1の周波数成分221に対する点Cから点Eを超えて点Gまでの伝搬時間が、第2の周波数成分222の点Cから点Dを超えて点Fまでの伝搬時間に初期時間差Δを加えた値に等しくなるように構成され設計される。このこと及び空間的に広がった成分221’及び222’の平行な整列は、第1及び第2の処理デバイス211及び212を特定の角度に構成し、波長に依存する特定の回折特性又は屈折特性(例えば格子定数、又は屈折率)をもたらすことによって達成することができる。それにより、平行に空間的に広がった周波数成分221’及び222’は時間的に整列され、従って伝搬方向と垂直な所与の表面に同時に入射することなり、すなわちそれらは点F及び点Gをそれぞれ同時に通過することになる。これは、チャープパルスが第1及び第2の処理デバイス211又は212を通過する前、又はパルスがそれらを出た後に配置することができる多様な集束デバイスを用いることによって周波数成分221’及び222’の空間的整列を達成するために用いることができ、集束デバイスは成分221及び222を所定の点に集束し、無彩色であり、すなわちそれらの波長に無関係に成分の集束をもたらす。
Another
結果としてのパルスの伝搬方向、すなわち単位伝搬ベクトル
が、すでに得られた空間的整列により周波数に無関係である知られているCPAとは異なり、本発明のベクトル
は依然としてそれぞれの周波数成分の周波数に依存することに注目すべきである。これは本発明の場合は、電界成分は
に対応することを意味し、但しωはいずれかの周波数成分(221’又は222’のような)の周波数であり、k(ω)は周波数に依存する波数である。従って第2の処理デバイスを出た結果としてのパルスは、波長に依存しない伝搬方向によって特徴付けられる従来型のレーザビームには対応しない。その代わりにこれは、それぞれが所与の伝搬方向
において移動する1組の波動である。従って時間的に十分に整列した成分は所与の時間において異なる方向に沿って伝搬するが、それらは時間的に十分に整列しているので、少なくとも1つの所定の集光点において空間的整列を達成するために、ミラー又はレンズなどの無彩色のデバイスを用いることができる。
Resulting pulse propagation direction, ie unit propagation vector
Unlike known CPA, which is independent of frequency due to the spatial alignment already obtained,
Note that is still dependent on the frequency of each frequency component. In the case of the present invention, the electric field component is
Where ω is the frequency of any frequency component (such as 221 ′ or 222 ′) and k (ω) is the frequency dependent wavenumber. Thus, the resulting pulse leaving the second processing device does not correspond to a conventional laser beam characterized by a wavelength independent propagation direction. Instead, this is each a given direction of propagation
Is a set of waves that move at. Thus, components that are well aligned in time will propagate along different directions at a given time, but they are well aligned in time so that spatial alignment at at least one predetermined collection point is achieved. To achieve this, achromatic devices such as mirrors or lenses can be used.
4つの回折格子が用いられる、又はミラーにより2つの回折格子のそれぞれが2回通過される従来型のCPAパルス圧縮と異なり、ここでは2つの回折格子を通過しただけで、異なる色成分がすでに時間的に十分に整列される。従来型のCPA圧縮では2つの回折格子を通過しただけでは、時間的補償は半分しかなされない。時間的整列の残りの半分は、回折格子の3回目及び4回目の通過によってなされる。従来型のCPAにおいて十分な時間的補償は、回折格子を4回通過した後に始めて達成される。従来型のCPAではまた、回折格子を4回通過した後に空間的整列が達成される。 Unlike conventional CPA pulse compression, where four diffraction gratings are used, or each of the two diffraction gratings is passed twice by means of a mirror, where only the two diffraction gratings have passed, the different color components are already in time. Well aligned. In conventional CPA compression, the temporal compensation is only halved just by passing through two diffraction gratings. The other half of the temporal alignment is made by the third and fourth passes of the diffraction grating. In conventional CPA, sufficient temporal compensation is achieved only after four passes through the diffraction grating. Conventional CPA also achieves spatial alignment after four passes through the diffraction grating.
図3A〜図3Dは、第1及び第2の処理デバイス、並びに集束デバイスのいくつかの実現形態を示す。示される実現形態は、意図された結果を達成するように組み合わせる、又は交換して用いる、又は互いに追加して用いることができることに注目すべきである。 3A-3D show several implementations of the first and second processing devices and the focusing device. It should be noted that the implementations shown can be combined or used interchangeably to achieve the intended result, or used in addition to each other.
図3Aは、図2で述べたような回折格子である第1及び第2の処理デバイス311及び312を示し、レンズ313はチャープパルス、又はそれを表すものとしての周波数成分321及び322の伝搬方向において、回折格子の前に配置される。回折格子は、典型的にはミリメートル当たり数千ラインの格子定数を有する。用いるべき格子定数、及び従って回折格子の種類は、入射チャープパルスの周波数範囲に強く依存する。レンズ313は点308に焦点を有する。第1及び第2の処理デバイスを通過するときの周波数成分321及び322の回折により、異なる色成分は集光点308に向かって収束し、空間的に広がるが時間的に十分に整列される。この結果としてあらゆる周波数は点308に集束され、それによって好ましくは短時間できるだけ大きなエネルギーを付与する。
FIG. 3A shows first and
図3Bは、第1及び第2の処理デバイス311及び312の後に、第1及び第2の周波数成分321及び322の伝搬方向において、レンズ330が配置された対応する構成を示す。上述のように第1及び第2の処理デバイス311及び312は、到来するチャープパルス320を、時間的に十分に整列されるが空間的に広がった平行な周波数成分321’及び322’に変換することができる。図3Aで述べたのと同じ結果が達成され、すなわち様々な周波数成分321’及び322’は、レンズ330を通過した後に、それらが同時に到達する点308に集束される。
FIG. 3B shows a corresponding configuration in which a lens 330 is disposed in the propagation direction of the first and
図3Cは、放物面鏡314を用いて異なる周波数成分321’及び322’を集束する、対応する構成を示す。レンズのように放物面鏡314は、放物面鏡314を通過するときに同じ長さを有する光路上を時間的に整列した周波数成分321’及び322’が伝搬するように、両方が集光点308に同時に入射するように時間的に十分に整列するが平行に空間的に広がる周波数成分321’及び322’を向け直す。
FIG. 3C shows a corresponding configuration in which the
図3Dは、第1及び第2の処理デバイス311及び312の代替的実現形態を示す。ここで第1及び第2の処理デバイス311及び312は、入射チャープパルス320が第1のプリズム311の境界面を誘起し、従ってこの第1のプリズム311の第1の境界面及び第2の境界面で屈折されるように、予め規定された屈折率を有し、所定の角度に構成されたプリズムから作られる。それによって入射チャープパルス320は、様々な周波数成分、例えば異なる光路に沿って伝搬する第1の周波数成分321及び第2の周波数成分322に細分化される。従ってこれらの成分は、異なる時間において異なる角度にて境界面の異なる点で第2のプリズム312に到達する。第2のプリズム312の屈折率及びその幾何学寸法により、周波数成分321’及び322’は、第2のプリズム312を時間的に整列するが空間的に広がった、好ましくは平行な色成分として通過することになる。次いで集束デバイス(レンズ又はミラーなど)を適用して、異なる色成分を所定の集光点に集束することができる。
FIG. 3D shows an alternative implementation of the first and
チャープパルス圧縮器の開示された実現形態は組み合わせることができ、すなわち第1及び第2の処理デバイスの前に、又は第1及び第2の処理デバイスの後にレンズを設け、実際の条件下では第1及び第2の処理デバイスは所望の精度までの説明された結果を得られないのでパルスの異なる色成分の光路の必要な補正を達成するために放物面鏡又は同様なものをさらに設けることが可能であることに注目すべきである。 The disclosed implementations of a chirped pulse compressor can be combined, i.e., provided with a lens before the first and second processing devices or after the first and second processing devices, and under actual conditions the first Since the first and second processing devices do not provide the described results to the desired accuracy, further providing a parabolic mirror or the like to achieve the necessary correction of the optical path of the different color components of the pulse It should be noted that is possible.
第1及び第2の処理デバイス311及び312を実現するために、2つの回折格子又は2つのプリズムではなく、1つの回折格子と、1つのプリズムとを用いることが有利となり得る。これを考察すると回折格子が用いられる場合は、意図される結果がそれらの互いの関係及びそれらの特定の特性によって達成されるように、第1及び第2の処理デバイス311及び312を実現するために3つの自由度がある。第1及び第2の自由度は各回折格子の格子定数である。第3の自由度は、これらの回折格子が互いに整列される角度である。従って上述の結果を得るために、同じ格子定数を有する2つの回折格子を整列すべき角度と、異なる格子定数を有する2つの回折格子を整列すべき角度は異なることになる。同じことが2つのプリズム、或いは1つのプリズムと1つの回折格子とを利用する場合にも成り立つ。2つのプリズムの場合は屈折率、及び境界面角度が対応する自由度を表す。従って図3Dにより2つのプリズム311及び312を用いた場合は、さらなる自由度が得られる。第1の自由度はそれらの互いの整列であり、第2及び第3の自由度はそれらのそれぞれの屈折率であり、第4及び第5の自由度は各プリズムの屈折境界面によって囲まれる角度である。
In order to realize the first and
上述の構成は、異なる色成分の時間的整列を最初に達成することにより、チャープパルスから生じるパルスの異なる色成分を所定の集光点に集束できることに注目すべきである。これは、レンズ又はミラーなどの波長に依存しないデバイスのみを用いることによって、空間的整列を達成することを可能にする。 It should be noted that the above arrangement can focus the different color components of the pulse resulting from the chirp pulse to a given focal point by first achieving temporal alignment of the different color components. This makes it possible to achieve spatial alignment by using only wavelength independent devices such as lenses or mirrors.
ターゲットは、パルスがターゲットに突き当たると陽子を発生するように構成することができる。ターゲットは、放射性医薬品の生成などの医療目的に用いることができる加速された陽子の放出をパルスが引き起こすように、薄箔、例えば薄い金属箔とすることができる。焦点領域においては、1014〜1016、又は1018W/cm2までのパワー密度、更にはより高いパワー密度が可能である。 The target can be configured to generate protons when a pulse strikes the target. The target can be a thin foil, such as a thin metal foil, so that the pulse causes accelerated proton release that can be used for medical purposes such as the production of radiopharmaceuticals. In the focal region, power densities up to 10 14 to 10 16 or 10 18 W / cm 2 and even higher power densities are possible.
上述の実施形態の1つの特定の例は、互いに平行な、互いに6〜10cm、好ましくは互いに8〜9cm、特に互いに8.6cmの距離に配置された1組の2つの回折格子である。この距離は平行な回折格子の間の垂直距離に関係する。2つの回折格子は1000〜2000ライン/mm、好ましくは1300〜1800ライン/mm、特に1740ライン/mmを有し、回折されたパルスが各回折格子によってカバーされるように十分大きい。従って回折格子の必要なサイズは入射パルスの直径に依存し、実現形態ごとに変わり得る。波長が600〜1000nm、好ましくは700〜900nm、特に800nmであり、フーリエ限界帯域が20〜40fs、好ましくは25〜35fs、特に30fsであるレーザパルスを用いることができる。このレーザパルスは約20〜60ps、好ましくは30〜50ps、特に41psに伸張され、次いで第1の回折格子の法線に対して予め規定された角度、好ましくは30〜70°、最も好ましくは50〜60°、特に53°で2つの回折格子のうちの最初に当たる。同様な角度において第2の回折格子は、前記第2の回折格子から出て来る1組の平行な光線を形成し、それらのすべては互いに平行に移動するが空間において、すなわち互いの間隔において広がる。この場合の好ましい圧縮機構は、400000〜50000fs2、より好ましくは430000〜460000fs2、特に452030fs2の遅延分散を誘起するのが有利である。 One particular example of the above-described embodiment is a set of two diffraction gratings arranged parallel to each other, at a distance of 6-10 cm to each other, preferably 8-9 cm to each other, in particular 8.6 cm to each other. This distance is related to the vertical distance between the parallel diffraction gratings. The two diffraction gratings have 1000 to 2000 lines / mm, preferably 1300 to 1800 lines / mm, in particular 1740 lines / mm, and are large enough so that the diffracted pulses are covered by each diffraction grating. Therefore, the required size of the diffraction grating depends on the diameter of the incident pulse and can vary from implementation to implementation. Laser pulses having a wavelength of 600 to 1000 nm, preferably 700 to 900 nm, particularly 800 nm, and a Fourier limit band of 20 to 40 fs, preferably 25 to 35 fs, particularly 30 fs can be used. This laser pulse is stretched to about 20-60 ps, preferably 30-50 ps, in particular 41 ps, and then a predefined angle with respect to the normal of the first diffraction grating, preferably 30-70 °, most preferably 50 It hits the first of the two gratings at -60 °, in particular 53 °. At a similar angle, the second diffraction grating forms a set of parallel rays emanating from the second diffraction grating, all of which move parallel to one another but spread in space, i.e. in the distance from one another. . The preferred compression mechanism in this case advantageously induces a delay dispersion of 400,000 to 50000 fs 2 , more preferably 430000 to 460000 fs 2 , in particular 452030 fs 2 .
100…チャープパルス発生器
102…増幅器
103…ポンピングシステム
104…伸張器
105…発振器
107…パルス
108…所定の点、集光点、焦点領域
110…圧縮器、チャープ圧縮器
210…チャープパルス圧縮器
211…第1の処理デバイス
212…第2の処理デバイス
220…チャープパルス
221…色成分、周波数成分
221’ …周波数成分
222…色成分、周波数成分
222’ …周波数成分
308…集光点
311…第1の処理デバイス
312…第2の処理デバイス
313…レンズ
314…放物面鏡
320…チャープパルス
321…周波数成分
321’ …周波数成分
322…周波数成分
322’ …周波数成分
330…レンズ
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記第1の処理デバイス及び前記第2の処理デバイスが、前記チャープパルスの伝搬方向において前記増幅段の後に配置され、
前記第2の処理デバイスが、前記チャープパルスの伝搬方向において、前記第1の処理デバイスの後に配置され、
前記第1の処理デバイス及び前記第2の処理デバイスは回折格子であり、
前記第1の処理デバイス及び前記第2の処理デバイスが、前記チャープパルスが前記第2の処理デバイスを通過した後にパルスに変換されるように、前記チャープパルスの伝搬方向を処理することができ、
前記パルスの異なる色成分が、空間的に広がり時間的に整列され、
前記レンズ(313)は、前記チャープパルスの伝搬方向において前記第1の処理デバイス及び前記第2の処理デバイスの前に配置され、前記レンズの前記集光点(308)は、前記チャープパルスの伝搬方向において前記第1の処理デバイス及び前記第2の処理デバイスの後にある、ことを特徴とする、光パルス発生器。 A supply source for supplying a chirp pulse , comprising: a laser oscillator (105); a pulse stretcher (104); and an amplification stage (102) for supplying the chirp pulse; compressor for compressing (110) and an optical pulse generator comprising the compressor, the first processing device the propagation direction of the chirped pulses can be processed depending on the wavelength (311) And an optical pulse generator (100) comprising: a second processing device (312); and a focusing device comprising a lens (313) having a predetermined focal point (308) .
The first processing device and the second processing device are disposed after the amplification stage in the propagation direction of the chirp pulse;
The second processing device is disposed after the first processing device in a direction of propagation of the chirp pulse;
The first processing device and the second processing device are diffraction gratings;
The first processing device and the second processing device can process a propagation direction of the chirp pulse so that the chirp pulse is converted into a pulse after passing through the second processing device;
Different color components of said pulses are temporally Alignment spread spatially,
The lens (313) is disposed in front of the first processing device and the second processing device in the direction of propagation of the chirp pulse, and the condensing point (308) of the lens is the propagation of the chirp pulse. An optical pulse generator, characterized in that it is after the first processing device and the second processing device in the direction .
前記チャープパルスは、前記増幅段(102)から離れた後に前記レンズを通過し、前記レンズは、前記チャープパルスの伝搬方向において前記第1の処理デバイス及び前記第2の処理デバイスの後に前記集光点(308)を有し、
前記チャープパルスが、前記レンズを通過した後に、前記第2の処理デバイスを通過する前に前記第1の処理デバイスを通過し、
前記チャープパルスの伝搬方向が、前記チャープパルスが前記第2の処理デバイスを通過した後にパルスに変換されるように、前記第1の処理デバイス及び前記第2の処理デバイスによって処理され、
前記パルスの異なる色成分が、空間的に広がり時間的に整列されることを特徴とする、方法。 A supply source for supplying a chirp pulse , comprising: a laser oscillator (105); a pulse stretcher (104); and an amplification stage (102) for supplying the chirp pulse; A method of generating pulses by using an optical pulse generator (100) comprising a compressor (110) for compressing, wherein the compressor processes the propagation direction of the chirped pulse depending on the wavelength In a method, comprising: a first processing device (311) and a second processing device (312) that can and a focusing device comprising a lens (313) having a predetermined focal point (308) .
The chirp pulse passes through the lens after leaving the amplification stage (102), and the lens converges after the first processing device and the second processing device in the direction of propagation of the chirp pulse. Has a point (308),
The chirp pulse passes through the first processing device after passing through the lens and before passing through the second processing device;
The direction of propagation of the chirped pulse is processed by the first processing device and the second processing device such that the chirped pulse is converted to a pulse after passing through the second processing device;
The pulses of different color components, characterized in that it is temporally Alignment spread spatially methods.
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